王 铁,王庆丰

(1.江苏省船舶检验局,江苏 南京 210004;2.江苏科技大学,江苏 镇江 212003)

128 m打桩船带缆桩支撑结构强度有限元分析

王 铁1,王庆丰2

(1.江苏省船舶检验局,江苏 南京 210004;2.江苏科技大学,江苏 镇江 212003)

使用MSC.Nastran软件对 128m打桩船带缆桩支撑结构的强度进行校核,为船舶作业时的安全性提供依据,并可用来指导船体支撑结构的设计及优化。计算分析表明,该船支撑结构响应满足强度要求。

打桩船;带缆桩;支撑结构;强度;有限元

0 引言

随着船舶工业的发展,工程船舶的作用日益凸现。工程船舶因其进行一定的水上作业,受多种载荷共同作用,且工作条件十分恶劣,因此其支撑结构的强度一直受到关注。本文以 128 m打桩船带缆桩支撑结构为研究对象,利用 MSC.Nastran软件对其工作时各种载荷工况下的强度进行有限元分析。

1 打桩船上甲板基本情况及有限元模型

1.1 典型带缆桩及其位置

128 m打桩船设置 10个带缆桩,对称地分布于上甲板左右舷。其具体位置及编号如图1所示。

图1 带缆桩具体位置及编号

1.2 上甲板及其加强结构有限元模型

1.2.1 上层建筑结构有限元模型

由于带缆桩、拖力眼板的支撑结构属于非常局部的结构,因此计算中选取带缆桩所在位置的甲板结构,边界延伸至强构件(舱壁、强横梁、纵桁、舷侧等)处即可,但是为了减小边界的影响以及考虑带缆桩同时受力的情况,故建立整个甲板模型。船体支撑结构以板、梁单元模拟,带缆桩、导缆钳的基座根据型号尺寸,参考相应标准,建立基座的模型,其余部分则直接以MPC单元模拟。由于左右舷带缆桩对称,故只分析一半(左舷)的情况。有限元模型如图2所示。

1.2.2 边界条件

为了选取与该船实际情况一致的方案,有限元模型下边缘刚性固定,即限制住三个方向的平动位移和三个方向的转动位移,如图3所示。

图2 128 m打桩船带缆桩支撑结构有限元模型

图3 边界条件

1.2.3 载荷施加

计算载荷根据设计方提供的安全工作负荷SWL来计算,1.25×9.81×SWL即可算得 1根系泊索或拖索的计算载荷,多根系泊索或拖索同时作用时,应按所有作用的载荷合力大小及合力方向施加载荷。

本船设计方提供的安全工作负荷SWL为 26t,各带缆桩、导缆器和导缆孔计算载荷及载荷施加方式如下:

(1)拖力眼板:两拖索与 X轴(沿船长方向,指向船首为正)平行,计算载荷为 2×1.25×9.81×26=637.65 kN。

(2)带缆桩 1:按拖索的两个最大角度,计算两种工况

工况 a:拖索与X轴正向成 120°(逆时针方向角度记为正,顺时针方向角度记为负,以下同),计算载荷为 1.25×9.81×26=318.825 kN。

工况 b:拖索与 X轴正向成-120°,计算载荷为1.25×9.81×26=318.825 kN。

(3)带缆桩 2:按拖索的两个最大角度,计算两种工况

工况 a:拖索与 X轴正向成-150°,计算载荷为1.25×9.81×26=318.825 kN。

工况 b:拖索与 X轴正向成 30°角,计算载荷为1.25×9.81×26=318.825 kN。

(4)带缆桩 3:按系泊索的角度,计算一种工况

工况 a:系泊索与 X轴正向成 90°,计算载荷为1.25×9.81×26=318.825 kN。

(5)带缆桩 4:按系泊索的角度,计算一种工况

工况 a:系泊索与 X轴正向成 90°,计算载荷为1.25×9.81×26=318.825 kN。

(6)带缆桩 5:按拖索的两个最大角度,计算两种工况

工况 a:拖索与 X轴正向成-150°,计算载荷为1.25×9.81×26=318.825 kN。

工况 b:拖索与 X轴正向成 30°,计算载荷为1.25×9.81×26=318.825 kN。

考虑到带缆桩同时使用时几种工况的排列组合问题,故将所有可能工况列于表1。

1.2.4 载荷施加方法

船舶配件上拖带载荷的作用点应是系索的附着点或系索方向变化处,可根据所选用带缆桩的规格,查阅相应标准。

带缆桩施加在距离面板 1.2倍桩柱公称直径高度上,其他受载节点用MPC与之相连;三滚轮导缆器施加在中间滚轮的中心,其他受载节点用MPC与之相连;羊角单滚轮导缆器施加滚轮中心,其他受载节点用MPC与之相连。

2 带缆桩支撑结构强度分析

2.1 许用应力

许用应力衡准参考《钢质海船入级规范》(2006)第 2篇第 3章第 3.6.4.5节,板单元和梁单元的平均 VonMises应力取 100%所用材料的屈服点;许用剪切应力:60%所用材料的屈服点;计算不考虑应力集中因素。应力衡准如下:

式中:σy为材料屈服强度,σy=235 MPa。

如局部较小范围内区域的应力水平过大,可取所计算的单元和与其连接结点所属单元的应力之平均值。

2.2 有限元计算结果

表2～表6列出所有单元中的最大应力汇总。通过与许用应力进行对比,结构均满足强度要求。

3 结语

本文通过建立 128m打桩船带缆桩支撑结构的有限元模型,计算了结构在船体正常作业时的应力与变形水平。计算分析表明,该船作业时的强度满足规范要求。

[1]中国船级社.船体结构强度直接计算指南[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]杨永谦.有限元法及其在结构分析中的应用[M].大连:大连海运学院出版杜,1992.

[3]陈铁云,陈伯真.船舶结构力学[M].上海:上海交通大学出版社,1990.

U661.43

A

2010-06-10

王铁(1976-),男,工程师,主要从事船舶检验工作;王庆丰(1976-),男,副教授,研究方向为船舶结构设计与强度分析。

表1 各种工况汇总表

表2 带缆桩 1支撑结构最大应力汇总 MPa

表3 带缆桩 2支撑结构最大应力汇总 MPa

表4 带缆桩 3支撑结构最大应力汇总 MPa

表5 带缆桩 4支撑结构最大应力汇总 MPa

表6 带缆桩 5支撑结构最大应力汇总 MPa